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Fiche professeur Synthèse d’un édulcorant bien connu : l’aspartame Plan du docu

Fiche professeur Synthèse d’un édulcorant bien connu : l’aspartame Plan du document :  SUPPORT DE TRAVAIL – DOCUMENTS POUVANT ETRE DISTRIBUES AUX ELEVES  Document 1 : les acides α-aminés naturels les plus courants ;  Document 2 : sélection de quelques réactions chimiques et leurs caractéristiques;  Document 3 : un schéma de synthèse de l’aspartame effectivement réalisable en laboratoire de chimie ;  Document 4 : schéma de synthèse de l’aspartame utilisé par les compagnies Tosoh et DSM  PISTES D’EXPLOITATION AVEC LES ELEVES ET INFORMATIONS DESTINEES AU PROFESSEUR  COMPETENCES TRAVAILLEES PAR LES ELEVES DANS LE CADRE DE L’ACTIVITE PROPOSEE Thème : AGIR, défis du XXIe siècle. Synthétiser des molécules, fabriquer de nouveaux matériaux // sélectivité en chimie organique Type de ressource : Document illustrant les notions du programme. Notions et contenus : Composé polyfonctionnel : protection de fonctions Nature de l’activité : Activité documentaire de découverte. Résumé : A l’aide de ses connaissances portant sur la réaction chimique et les groupes caractéristiques, l’élève est amené, à partir d’une banque de réactions, à définir un schéma de synthèse possible (mais trop « basique ») d’une molécule en prenant en compte les étapes de protection/déprotection de certaines fonctions réactives. Avant d’établir le schéma de la synthèse, l’élève a été confronté à la nécessité de protéger certaines fonctions pour obtenir une sélectivité aboutissant à la formation du dipeptide souhaité (aspartame). En effet, le fait de chauffer le mélange des deux acides aminés en vue d’obtenir un dipeptide par déshydratation aboutirait à un mélange complexe de di-, tri-peptides dans des séquences dues au hasard. Support de travail – Documents pouvant être distribués aux élèves - DOCUMENT 1 - Les acides α-aminés naturels les plus courants Les acides aminés sont des molécules possédant un groupe carboxyle et un groupe amine. Ceux que l’on rencontre le plus fréquemment dans la nature sont les acides α-aminés qui répondent à la formule générale : Le groupe - R permet de différencier l’acide α-aminé et est donné dans le tableau ci-dessous. Nom Code à trois chiffres -R Nom Code à trois chiffres - R Glycine Gly - H Asparagine Asn C CH2 NH2 O Alanine Ala - CH3 Glutamine Gln C CH2 NH2 O CH2 Valine Val CH CH3 CH3 Lysine Lys NH2 CH2 CH2 3 Leucine Leu CH CH3 CH3 CH2 Arginine Arg C NH NH2 NH CH2 2 CH2 Isoleucine Ile CH CH3 CH2 CH3 Tryptophane Trp CH2 N H Phénylalanine Phe CH2 Histidine His CH2 N NH Proline Pro N COOH H Structure entière Cystéine Cys SH CH2 Sérine Ser OH CH2 Méthionine Met CH2 CH2 SCH3 Thréonine Thr CH CH3 OH Acide aspartique Asp COOH CH2 Tyrosine Tyr CH2 OH Acide glutamique Glu CH2 CH2 COOH Le code à trois chiffres est l’abréviation usuelle avec laquelle on les désigne. C C R H2N H O OH - DOCUMENT 2 - Sélection de quelques réactions chimiques et leurs caractéristiques ♦ Réaction 1 : Le groupement NH2 peut réagir avec un site électrophile. Par contre, l’espèce formée au cours de cette réaction (R-NH-Z) n’est plus nucléophile ! Cette transformation peut être considérée comme totale. Le rendement est supérieur à 90%. ♦ Réaction 2 : Cette réaction a lieu sous catalyse hétérogène en utilisant du palladium déposé sur du carbone. La transformation est totale et s’accompagne de la libération d’un gaz et de toluène. Le rendement est proche de 100%. ♦ Réaction 3 : La liaison, encadrée dans la molécule ci-dessus, est un exemple de groupe caractéristique amide formé entre le groupe caractéristique carboxyle d’une molécule et le groupe amino d’une autre molécule. Lorsque les deux molécules qui interagissent sont des acides aminés, on forme un dipeptide. ♦ Réaction 4 : C’est une réaction d’estérification. L’eau est éliminée au fur et à mesure de sa formation ce qui déplace l’équilibre dans le sens de la formation de l’ester benzylique (RCOO-Bz). Dans ce cas là, le rendement est élevé. La substitution de l’hydrogène par le groupement nommé Bz pour simplifier rend l’ester benzylique peu réactif vis à vis des nucléophiles. ♦ Réaction 5 : Cette réaction a lieu sous catalyse hétérogène en utilisant du palladium déposé sur du carbone. La transformation est totale et s’accompagne de la libération d’un gaz et de toluène. Le rendement est proche de 100%. ♦ Réaction 6 : Le rendement d’une telle réaction est généralement supérieur à 90%. Le groupement encadré est très volumineux et ne permet pas l’attaque du carbonyle par les nucléophiles et les bases. ♦ Réaction 7 : R C O OH H N H R' R C O N H R' H2O + + R O OH Milieu acide R O O H2O + + R O OH R O O H2O + + Milieu acide OH R O O CH2-C6H5 H2 R O OH C6H5-CH3 + + Bz R O OH C6H5-CH2-OH R O O CH2-C6H5 H2O + + Milieu acide Bz H2 R NH2 CO2 + + + C6H5-CH3 R NH-CO-O-CH2-C6H5 Z R NH2 H2O Cl- + + + + HO- R NH-CO-O-CH2-C6H5 C6H5-CH2-O-CO-Cl Z Cette réaction a un très bon rendement lorsqu’on utilise un excès d’eau. - DOCUMENT 3 - Un schéma de synthèse de l’aspartame effectivement réalisable en laboratoire de chimie OH O H2N O O H3N CH3 CH3OH, SOCl2 15 min OH O OH NH2 O C6H5-CH2-OCOCl 1h30 OH O OH NH-Z O C6H5-CH2-OH O-Bz O O-Bz NH-Z O LiOH, H2O 1h00 OH O O-Bz NH-Z O Reflux, 1h00 (-H2O) O O N CH3 O O-Bz NH-Z O H O O N CH3 O OH NH2 O H Acide aspartique Phénylalanine Aspartame O O O-Bz NH-Z O NO2 Groupe fixé sur la molécule uniquement pour augmenter le caractère électrophile du groupe carboxyle. L’étape 4 facilite l’étape 6 en « activant » l’ester. Elle permet également de travailler à des températures plus basses ce qui ne dégrade pas le produit synthétisé. 4-nitrophénol 1h00 Triéthylamine 1h00 Etape 1 (ρ1 = 90 %) Etape 2 (ρ2 = 96 %) Etape 3 (ρ3 = 66 %) Etape 4 (ρ4 = 94 %) Etape 5 (ρ5 = 100 %) Etape 6 (ρ6 = 100 %) Etape 7 (ρ7 = 98 %) H2 (Pd/C) 6h00 E En n B Br re ef f… … Etapes 1 et 2 : étape de protection des groupes –NH2 et –COOH. Dans l’étape 2, il n’est pas possible expérimentalement de protéger sélectivement une fonction ester et pas l’autre. Les deux groupements sont donc transformés et protégés. Etape 3 : Etape de déprotection sélective d’une fonction ester en jouant sur la température. Etape 4 : augmentation du caractère électrophile de l’ester en prévision du couplage de l’étape 6 : on dit que l’ester est « activé ». Etape 5 : méthylation de la phénylalanine Etape 6 : couplage peptidique des deux fragments protégés. Etape 7 : déprotection des fonctions –COOH et –NH2 par une méthode commune (hydrogénation sur palladium). - DOCUMENT 4 - Schéma de synthèse de l’aspartame utilisé par les compagnies Tosoh et DSM D’après : http://91.121.18.171/sfc/DivCata/Projet-fiches-Vulg/divcat1008.html# Mélange racémique contenant les deux énantiomères + Thermolysine (enzyme) H2 sur Pd/C + + Aspartame  O O N CH3  O OH NH2 O H  O O N CH3 O OH NH-Z O H  O O H2N CH3  O O H2N CH3  O OH NH2-Z O OH  O O H2N CH3 Forme énantiomériquement pure Phénylalanine méthylée Acide aspartique (protégée) Enantiomère non utilisé de la phénylalanine méthylée présent initialement dans le mélange Pistes d’exploitation avec les élèves et informations destinées au professeur Situation déclenchante initiale possible (avec les documents 1 et 2) : Le 3-amino-4-[[1-benzyl-2-(méthoxy-2-oxoéthyl]amino]-4-oxobutanoïque, plus connu sous le nom « aspartame» est un édulcorant artificiel découvert en 1965. Il a un pouvoir sucrant environ 200 fois supérieur à celui du saccharose et est utilisé pour édulcorer les boissons, les bonbons et aliments à faible apport calorique ainsi que les médicaments. On retrouve également cette espèce chimique dans les sucrettes à café se substituant au saccharose. Cet additif alimentaire est utilisé dans un grand nombre de produits et autorisé dans de nombreux pays. Il est référencé dans l’union européenne par le code E951. Adaptation des informations trouvées sur http://fr.wikipedia.org Erreur & Réussite : la réalité du travail en laboratoire Line et Maxime, étudiants en chimie, tentent de réaliser, au laboratoire, la synthèse d’un dipeptide bien connu composé de deux acides α-aminés naturels: l’aspartame. L’analyse du brut réactionnel, obtenu par le binôme, suite à un chauffage à reflux prolongé des deux acides α- aminés révèle la présence d’un grand nombre d’espèces chimiques contenant une ou des liaisons peptidiques (un des réactifs a été préalablement modifié par Line : son unique groupement acide carboxylique –COOH a été méthylé pour former le groupement ester –COOCH3). Quelques structures parmi celles obtenues lors de la synthèse ont été identifiées et reproduites ci-dessous : Très déçus par de tels résultats, ils poussent leurs recherches en modifiant le protocole. En effet, la banque de réactions du document 2 permet de les remotiver temporairement en leur uploads/Finance/ activite-synthese-d-un-edulcorant-protection-des-fonctions-organiques 1 .pdf